[发明专利]一种高纯半绝缘碳化硅体单晶的生长装置

说明书

技术领域

本发明属于晶体生长领域，具体涉及一种高纯半绝缘碳化硅体单晶的生长装置。

背景技术

碳化硅(SiC)热导率高(约5.0W/cm)、饱和电子迁移率高(约2.7x10⁷cm/s)、击穿 电场高(约3MV/cm)，非常适合于制作需要在大功率或者高温下操作的高压、高频电子器件。 与此同时，SiC的化学稳定性、抗辐照能力都非常强，因此，SiC已经成为公认的能够取代 第一代半导体Si和第二代半导体GaAs的新一代半导体材料。

半绝缘碳化硅晶体在金属-氧化物-半导体场效应管、半导体光导开关等器件上有重要应 用。通过在碳化硅晶体中掺入一定量的钒元素，可以提供一定量的深能级，实现碳化硅的半 绝缘。但是在使用钒掺杂的晶体作为衬底制作的期间中，钒可以捕获负电荷引起内生栅 (grown-in gate)效应。因此，处于器件性能考虑，最好不使用钒掺杂的半绝缘碳化硅晶体， 而使用高纯半绝缘碳化硅晶体。

生长高纯半绝缘碳化硅晶体的关键在于降低浅施主、浅受主能级的数量，提高电阻率。 但是由于坩埚、粉料、保温材料中不可避免地含有微量Al、B等杂质，并且，生长过程中空 气中的N元素会大量掺入生长的晶体，它们在晶体中形成大量的浅能级，使得高纯半绝缘 碳化硅晶体的生长存在很大的难度。

通过使用高纯石墨坩埚、高纯粉料、高纯保温材料，可以有效地降低Al、B等杂质浓度， 减少部分的浅能级。但是常规的生长设备的密封性有限，漏率一般在10^-5Pa·L/s，在接近 真空的生长化境下进行长达50小时以上的晶体生长，从大气中进入腔内的氮气量很大，掺 入晶体的N元素量很难减少，成为制约所生长晶体提高电阻率、实现高纯半绝缘的主要因 素。若采用现有的晶体生长装置，采取常规PVT工艺的生长方法，可以生长得到的晶体的 电阻率一般小于10⁴Ω·cm，微管密度为100～300cm^-2

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种高纯半绝缘(HPSI)碳化硅(SiC) 体单晶的生长装置。

本发明的高纯半绝缘碳化硅体单晶的生长装置包括：真空室、石墨坩埚和感应线圈，其 中，所述真空室包括炉体和炉盖；所述炉体内设有石墨坩埚和感应线圈，且所述感应线圈围 绕于石墨坩埚外壁；所述炉体侧壁设有隔离腔进/抽气口，炉体底部还设有与真空泵相连通 的抽气口；且所述炉体侧壁内部从内到外依次设有相互独立的隔离腔和冷却水腔。

较佳的，所述隔离腔内充有高纯惰性气体或为真空。

较佳的，所述隔离腔和冷却水腔的对应位置设有多个法兰。其作用是实现多层炉侧壁结 构内外的物质(主要为压力平衡气体)的交换以及信号(主要为压力数据)的传递。

优选的，所述法兰的数量为2个，在生长炉的侧壁的不同层的对应位置设有两个法兰， 用于在保证密封性能的基础上使感应线圈能够穿过。

较佳的，所述炉盖的侧壁内部从内到外依次设有相互独立的隔离腔和冷却水腔，所述炉 盖的顶面内设有中空的冷却水腔，且所述炉盖顶面内的冷却水腔与炉盖侧壁内的冷却水腔连 通。

较佳的，所述石墨坩埚和感应线圈之间还设有保温材料层。

优选的，所述炉体内还设有温度传感器和压力传感器。

优选的，所述炉体侧壁分别设有冷却水入口和冷却水出口，进一步优选的，所述冷却水 入口位于生长炉的下部侧壁，所述冷却水出口位于生长炉的上部侧壁。

优选的，所述炉体和炉盖的材质为金属材料，进一步优选为不锈钢材质。

所述隔离腔内可充入高纯惰性气体，优选为高纯氩气；或抽真空。通过对炉体侧壁中的 相近两层之间形成的独立空间施加正压(通入高纯惰性气体)或者负压(抽真空)，在空气 与石墨坩埚内部之间形成一个“气体夹层”，如果该“夹层”为正压，则“夹层”内的高纯 惰性气体进入石墨坩埚，如果“夹层”为负压，则石墨坩埚内的压力平衡气体(一般为高纯 氩气)进入“夹层”，两种情况下均不会出现空气进入石墨坩埚的情况，以保证在生长过程 中炉体使石墨坩埚和空气完全隔绝。

本发明的高纯半绝缘碳化硅体单晶的生长装置在用于晶体生长时，粉料(一般为SiC颗 粒，或者Si粉与C粉的混合物)位于石墨坩埚的底部，籽晶位于石墨坩埚的顶部。